Radiación gamma

Radiación gamma (representación ilustrativa)

La radiación gamma - también escrita ɣ radiación - es en el sentido más estricto una radiación electromagnética particularmente penetrante , que surge de transformaciones espontáneas ("desintegración") de los núcleos atómicos de muchos nucleidos radiactivos naturales o producidos artificialmente .

El nombre proviene de la división de la radiación ionizante de la desintegración radiactiva en radiación alfa , radiación beta y radiación gamma con su creciente capacidad para penetrar la materia. Las radiaciones alfa y beta consisten en partículas cargadas y, por lo tanto, interactúan mucho más fuertemente con la materia que los fotones sin carga o cuantos de radiación gamma. En consecuencia, estos últimos tienen una capacidad de penetración significativamente mayor.

Diferentes tipos de espectro electromagnético ( rayos gamma ingleses )

En un sentido más amplio, la radiación gamma se utiliza para denotar cualquier radiación electromagnética con energías cuánticas superiores a aproximadamente 200  keV , independientemente de cómo se genere . Esto corresponde a longitudes de onda inferiores a 0,005 nm (5 pm ). En este sentido general, el término se utiliza en particular cuando se desconoce el proceso de formación de la radiación no importa (por ejemplo, en astronomía) o para la tarea específica (por ejemplo, en protección radiológica deseada), sin embargo, se expresará que Están presentes energías más altas que con la radiación de rayos X (alrededor de 100 eV a 300 keV).

La letra griega pequeña ( gamma ) se usa generalmente como símbolo de fórmula para un fotón de cualquier energía y tipo de origen. ${\ Displaystyle \ gamma}$

Aparición

Radiactividad: "desintegración gamma"

La radiación gamma en el sentido original de la palabra surge cuando el núcleo (núcleo hijo ) que permanece después de una desintegración alfa o beta radiactiva se encuentra en un estado excitado ; esto es cierto para muchos, pero no para todos los decaimientos alfa y beta. El núcleo excitado vibra o gira, para decirlo claramente, durante mucho tiempo. Durante la transición a un estado menos excitado o al estado fundamental , libera la energía liberada en forma de radiación gamma (ver esquema de desintegración ). Este cambio en el estado del núcleo se conoce como transición gamma o "desintegración gamma", aunque el núcleo de ninguna manera "se desintegra en sus componentes" porque el número de sus neutrones y protones permanece constante.

El estado excitado también puede haber surgido de otras formas, como la captura de neutrones u otras reacciones nucleares o la absorción previa de un cuanto de energía superior. ${\ Displaystyle \ gamma}$

espectro

Espectro gamma medido de ⁶⁰ Co , líneas a 1173 y 1332 keV

Las longitudes de onda o energías de los rayos gamma son discretas y son características del radionúclido respectivo, comparables al espectro de líneas ópticas de los elementos químicos. Por tanto, la medición del espectro gamma de una sustancia desconocida ( espectroscopia gamma ) es adecuada para proporcionar información sobre los tipos y proporciones de los radionucleidos que contiene.

Las energías agudas de las líneas espectrales gamma se explican por el hecho de que la vida útil de las transiciones gamma es comparativamente larga en términos de física nuclear. El núcleo excitado, que puede imaginarse como una pelota de rugby pulsante, crea un campo cuadrupolo electromagnético oscilante . Un cuanto gamma solo puede absorber oscilaciones dipolares; por tanto, su emisión es relativamente improbable. Según la relación de incertidumbre energía-tiempo , la vida útil de una transición es inversamente proporcional a su incertidumbre energética o ancho de línea : ${\ Displaystyle \ tau}$${\ Displaystyle \ Gamma}$

${\ Displaystyle \ Gamma = {\ frac {\ hbar} {\ tau}}}$.

Las duraciones de los estados nucleares excitados son siempre superiores a unos ^10-15  segundos y, por lo tanto, dan lugar a energías de fotones discretas con anchos medios inferiores a 0,3 eV.

Designación según el nucleido madre de la desintegración alfa o beta

El retraso medio o la vida media entre la desintegración alfa o beta y la transición gamma depende del nucleido y del estado excitado respectivo. Incluso si es "largo" en el sentido físico básico, desde un punto de vista práctico suele ser muy corto (fracciones de segundo). Si desea utilizar radiación gamma con fines de investigación, médicos o técnicos, por ejemplo, la cascada de dos fotones de 1,17 y 1,33 MeV emitidos por el estado de 2,5 MeV del núclido ⁶⁰ Ni , por lo tanto, necesita una preparación del emisor beta ⁶⁰ Co . Este nucleido decae al estado deseado de ⁶⁰ Ni con una vida media de 5,26 años .

Esquema de decaimiento de ⁶⁰ Co

Por esta razón práctica, los rayos gamma (no solo para ⁶⁰ Ni, sino en general, también en documentos científicos y técnicos, tablas, mapas de nucleidos , etc.) siempre se asignan al nucleido madre de la desintegración alfa o beta precedente, en la Ejemplo ⁶⁰ Co: El hombre habla de radiación de cobalto-60, cañón de cobalto , etc., aunque solo se trate de la radiación gamma emitida por el núcleo hijo ⁶⁰ Ni.

Los raros casos de núcleos atómicos excitados cuyas transiciones gamma tienen vidas medias de segundos, minutos o incluso más se denominan isómeros metaestables o nucleares . Solo en estos casos se utiliza como designación el nucleido emisor de rayos gamma real. Un ejemplo es el isótopo de tecnecio ^{99 m} Tc, que se utiliza en diagnósticos médicos (ver gammagrafía ).

Aniquilación en pareja

Durante la aniquilación de pares , la reacción de una partícula con la antipartícula asociada , también surgen fotones (solos o además de otros posibles productos de reacción), que también se denominan radiación gamma. Este cuanto gamma transporta la energía de la masa correspondiente a las partículas destruidas menos la eventual energía de enlace si las dos partículas ya estaban unidas entre sí o entre sí, "dando vueltas", y más cualquier energía cinética preexistente .

Estallidos de rayos gamma en astronomía

Estallidos de rayos gamma ( en inglés estallidos de rayos gamma ) - también conocido como explosiones de rayos gamma - son uno de los fenómenos más energéticos del universo es su mecanismo de formación solamente se entiende parcialmente .. El espectro es continuo con energías de fotones desde aproximadamente 1 keV hasta el rango de MeV. Entre otras cosas, contiene las radiografías . No se trata de radiación gamma en el sentido físico nuclear más estricto (ver introducción).

Terminología: rayos gamma y rayos X

Los rangos de energía de los rayos X y gamma naturales se superponen, lo que resulta en una cierta confusión de estos términos. Algunos autores continúan utilizando los términos en el sentido clásico para identificar el origen de la radiación (radiación gamma de procesos nucleares, rayos X de procesos de alta energía con electrones). Otros autores, sin embargo, diferencian según la energía cuántica, siendo la línea divisoria alrededor de 100 a 250 kiloelectrones voltios. Sin embargo, no existe una definición precisa para esto. Por lo tanto, para evitar malentendidos, siempre es útil indicar explícitamente la energía cuántica y su proceso de creación. Por otro lado, precisamente esta información exacta en la literatura científica popular conduce regularmente a dificultades de comprensión, porque muchos lectores están abrumados con información keV o términos como bremsstrahlung o radiación de sincrotrón , mientras que los términos radiación gamma y rayos X son generalmente conocidos. Por tanto, los autores deben sopesar entre la comprensibilidad y la vaguedad de su redacción.

Interacción con la materia

La radiación gamma es la radiación ionizante más compleja que debe protegerse.

En contraste con la curva de Bragg para radiaciones de partículas cargadas, la intensidad (y por lo tanto la entrada de energía) de la radiación gamma disminuye exponencialmente con la profundidad de penetración. Esto significa que el número de rayos gamma se reduce a la mitad después de cada espesor de valor medio . El espesor del valor medio depende de la longitud de onda de la radiación gamma y del número atómico del material de blindaje: por lo tanto, el plomo es el material más utilizado para la protección radiológica contra la radiación gamma. Su espesor de valor medio para la radiación gamma con una energía de 2 MeV es de 14 mm. Esto muestra claramente el efecto mucho más penetrante en comparación con la radiación de partículas cargadas.

Los procesos de interacción más importantes cuando la radiación gamma atraviesa la materia son la fotoionización , la dispersión de Compton ( efecto Compton ) y la formación de pares .

Efecto biologico

Si la radiación gamma se absorbe en el tejido humano, animal o vegetal , su energía se vuelve efectiva en la ionización y otros procesos. La radiación secundaria , como los electrones liberados y los rayos X, se produce en el tejido . En general, la ruptura de enlaces químicos da como resultado efectos que son en su mayoría dañinos para el organismo. El alcance del efecto global se describe mediante la dosis equivalente . Las consecuencias pueden ocurrir en el propio organismo irradiado ( daño somático ) o, por daño a la estructura genética , en su descendencia como daño genético .

La funcionalidad de las células se conserva inicialmente en su mayor parte, incluso con altas dosis de radiación. Tan pronto como la célula se divide o produce proteínas, los cambios en el material genético y el daño a los orgánulos celulares pueden provocar la muerte de la célula. La enfermedad de la radiación afecta sólo después de un tiempo fatal si ciertos tipos de células vitales que mueren regularmente incluso en personas sanas y se vuelven a formar, ya no existen en cantidades suficientes. Esto afecta especialmente a las células sanguíneas. Alternativamente, las mutaciones causadas por la radiación pueden conducir a una división celular descontrolada, y las células en división pierden en su mayoría su función biológica original. Causó tumores que más allá de las metástasis pueden formarse ( cáncer ).

Aplicaciones

Los emisores gamma utilizados en tecnología son principalmente ⁶⁰ Co , ⁷⁵ Se , ¹⁶⁹ Yb y ¹⁹² Ir . Una desventaja de los rayos gamma es que las fuentes de radiación no se pueden apagar. Cuando se utiliza radiación gamma en funcionamiento, se deben tomar amplias medidas de protección radiológica debido a su peligrosidad .

medicamento

Los rayos gamma de fuentes radiactivas se utilizan en radioterapia . La energía de radiación en teleterapia debe ser lo más alta posible, son posibles valores de hasta 23 MeV; se utiliza, p. ej. B. ⁶⁰ Co , que emite cuantos gamma con energías 1,17 MeV y 1,33 MeV. Debido a la necesidad de fotones de alta energía y a los problemas de seguridad asociados con los emisores radiactivos, la radiación gamma en la teleterapia se obtiene generalmente como bremsstrahlung de electrones en una placa de tungsteno y también se conoce como radiación de rayos X de alta energía . El haz de electrones se genera con un acelerador lineal . A diferencia de las fuentes de radiación radiactiva, esta se puede activar o desactivar como parte del tratamiento.

En la braquiterapia ("irradiación desde el interior"), la radiación gamma se utiliza mediante pequeñas preparaciones introducidas en el cuerpo, generalmente ¹⁹² Ir .

Para fines de diagnóstico , gammagrafía y tomografía computarizada por emisión de fotón único , se utilizan emisores gamma de corta duración como ^99m Tc , ¹²³ I , ¹³¹ I, ¹³³ Xe o ¹¹¹ In .

Tecnología de sensores y pruebas de materiales

Los rayos gamma pueden penetrar la materia sin reflejarse ni refractarse . Parte de la radiación se absorbe a su paso , según la densidad y el grosor del medio. En la medición de nivel con radiación gamma se aprovecha esta circunstancia, porque la intensidad de radiación medida depende de si existe en el medio vascular considerado o no.

Otra aplicación de los rayos gamma se encuentra en las pruebas radiográficas , que se pueden utilizar para detectar depósitos, daños por corrosión o daños por erosión en el interior de aparatos y tuberías.

Protección de fronteras y registros de fronteras

Los dispositivos de identificación de radionúclidos se utilizan en la guardia de fronteras , lo que permite extraer conclusiones sobre las sustancias radiactivas transportadas a través de la radiación gamma.

En nombre del Ministerio de Seguridad del Estado de la República Democrática Alemana , los llamados cañones de rayos gamma con el radiactivo ¹³⁷ Cs se instala en los puntos de control fronterizo en la frontera entre las dos Alemanias . Estos tomaron radiografías de los vehículos que circulaban de este a oeste para localizar a los refugiados de la RDA .

Esterilización, reducción de gérmenes, reticulación química por radiación

Para la esterilización por radiación y la reticulación de polímeros -Kunststoffen se utilizarán instalaciones de irradiación gamma . Trabajan casi exclusivamente con ⁶⁰ Co, que se produce a partir de ⁵⁹ Co en reactores nucleares mediante captura de neutrones . La seguridad de la radiación en la planta es profunda a través de la capacidad de retracción de las fuentes de radiación hacia un charco de agua profundo o alcanza búnkeres de hormigón en forma de pozo.

La esterilización gamma de productos médicos, p. Ej. B. kits de emergencia soldados, tiene la ventaja sobre otros métodos de que se puede realizar en el empaque de venta.

En el campo de la irradiación de alimentos , cabe mencionar en particular la irradiación con cebolla, que se llevó a cabo en la RDA entre 1986 y 1990. Había un sistema de irradiación gamma especializado en la cooperativa de producción agrícola Queis en Spickendorf. En la RDA, también se irradiaron muchos otros alimentos (aves de corral, especias, huevo entero en polvo, etc.); no se pretendía etiquetar los productos. Con la reunificación alemana estas aprobaciones expiraron.

Hay grandes sistemas de irradiación, por ejemplo. B. en los Países Bajos y Sudáfrica.

Espectroscopia de Mössbauer

El retroceso que normalmente recibe el núcleo atómico cuando se emite el cuanto gamma puede, en determinadas circunstancias, ser absorbido por toda la red cristalina en la que está incrustado. Como resultado, la cantidad de energía que pierde el fotón a través del retroceso se vuelve insignificante. Además, si la vida media del estado excitado es alta, se crean rayos gamma con una energía extremadamente aguda. La espectroscopia de Mössbauer, que es importante en el análisis químico, se basa en esto.

prueba

La radiación gamma se puede detectar a través de su interacción con la materia, p. Ej. B. con detectores de partículas como la cámara de ionización o el tubo contador Geiger-Müller , contadores de centelleo , detectores de semiconductores o contadores Cherenkov .

Historia de la investigación

En 1900, Paul Villard encontró un componente en la radiación radiactiva descubierta cuatro años antes por Antoine Henri Becquerel , que no podía ser desviado por campos magnéticos y mostraba una muy alta permeabilidad de la materia. Dado que era el componente de tercer rayo encontrado, Ernest Rutherford acuñó el término radiación gamma .

Mediante la difracción de la radiación gamma en los cristales , Rutherford y Edward Andrade lograron en 1914 demostrar que es una forma de radiación electromagnética . Las longitudes de onda encontradas fueron muy cortas y comparables a las de los rayos X.

Ver también

• Multipolaridad de la radiación gamma

literatura

• Werner Stolz, radiactividad. Conceptos básicos - Medición - Aplicaciones , Teubner, 5.a edición 2005, ISBN 3-519-53022-8

Física nuclear

• Theo Mayer-Kuckuk , Kernphysik , Teubner, sexta edición 1994, ISBN 3-519-03223-6
• Klaus Bethge , Física nuclear , Springer 1996, ISBN 3-540-61236-X
• Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michael Spiro, Fundamentos de la física nuclear: de la estructura nuclear a la cosmología , Springer 2005, ISBN 0-387-01672-4

Historia de la investigación

• Milorad Mlađenović, La historia de la física nuclear temprana (1896-1931) , World Scientific 1992, ISBN 981-02-0807-3

Protección de radiación

• Hanno Krieger: Conceptos básicos de física de la radiación y protección radiológica . Vieweg + Teubner 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9
• Claus Grupen, curso básico de protección radiológica. Conocimientos prácticos para el manejo de sustancias radiactivas , Springer 2003, ISBN 3-540-00827-6
• James E Martin, Física para la protección radiológica , Wiley 2006, ISBN 0-471-35373-6

medicamento

• Günter Goretzki, Ciencias de la Radiación Médica. Fundamentos físico-técnicos , Urban & Fischer 2004, ISBN 3-437-47200-3
• Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr, Biología Radiológica Clínica - en pocas palabras , Urban & Fischer febrero de 2006, ISBN 3-437-23960-0

enlaces web

Wikcionario: radiación gamma  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

• Literatura de y sobre radiación gamma en el catálogo de la Biblioteca Nacional Alemana
• El "Glosario de protección radiológica" del Centro de Investigación de Jülich explica muchos términos relacionados con las radiaciones ionizantes (radiación alfa, beta, gamma, normativas, protección radiológica, etc.).
• Telescopios MAGIC La Palma, Astronomía de rayos gamma a bajas energías con alta sensibilidad

Evidencia individual

1. ^ Carta de información de BG RCI ( Memento del 2 de abril de 2015 en Internet Archive ) (PDF; 136 kB).
2. ↑ No hay espejo de escape del 19 de diciembre de 1994.